1.3. Понятие признака в генетике поведения
Генетическая изменчивость особей в популяции может проявляться по огромному числу признаков, в том числе и поведенческих. Для успешного проведения опытов по генетике поведения необходимо подобрать соответствующие поведенческие признаки. Это непростая задача.
Ученые исследовали самые разные поведенческие признаки у разных видов животных: предрасположенность к судорогам, общую возбудимость, локомоторную активность, ориентировочно-исследовательские реакции, разные аспекты репродуктивного поведения, классические и инструментальные условные реакции, реактивность к фармакологическим веществам.
Для удобства организации научных исследований поведенческие признаки разделили на группы согласно физиологическим функциям, лежащим в их основе (Рис. 1.20.)
Рис.1.20. Классификация поведенческих признаков в соответствии с физиологическим функциям, лежащим в их основе.
Разделение поведения на моторные и сенсорные, эмоциональные, социальные и «интеллектуальные» компоненты является во многом условным, но необходимым для дифференцировки их друг от друга. Реально эти поведенческие паттерны представляют пересекающиеся множества, где в каждом присутствуют компоненты всех остальных.
В эксперименте предварительное тестирование моторных и сенсорных функций позволяет избежать недостоверных положительных и отрицательных результатов при предъявлении более сложных поведенческих задач, например, с экспериментов по обучению, в которых используются сенсорные стимулы, а в ходе их выполнения участвует моторика.
Для успешного проведения экспериментов по генетике поведения необходимо подобрать соответствующий признак – «единицу поведения». В качестве таких «единиц» генетика поведения заимствовала из этологии комплексы фиксированных действий (КФД), которые представляют собой сложные стереотипные движения, образующие высокоорганизованную последовательность.
Термин КФД появился благодаря Конраду Лоренцу, который считал, что основу поведения, т.е. его базовые единицы, составляют специфичные для каждого вида животных движения, форма которых является постоянной, закреплённой генетически. Эти движения он назвал «инстинктивными действиями», а так же «наследственными координациями» (Erbkoordinationen — нем.,), и именно последний термин, переведённый Нико Тинбергеном на английский язык как «fixed action pattern» (по-русски буквально — фиксированная форма действия), с 50-х гг., закрепился в этологии для их обозначения. В русскоязычной литературе также переводились как: комплексы фиксированных действий (КФД) или фиксированные комплексы действий (ФКД).
Комплексы фиксированных действий оказались удобными для изучения благодаря своей чёткой выраженности и устойчивости. Генетическая изменчивость затрагивает не «рисунок», или паттерн (pattern), КФД, а преимущественно частоту его выполнения и пороги активации в тех или иных условиях, т.е. их пространственно-временные характеристики, что вполне поддается точному, количественному измерению.
Наследование видоспецифических особенностей в выполнении КФД можно анализировать, изучая поведение гибридов первого поколения от скрещивания особей родственных видов, у которых это поведение чётко различается, а также у особей с локальными мутациями, затрагивающими этот признак.
Среди примеров КФД, генетика которых хоть в какой-то степени изучена, можно отметить, например, гнездостроительное поведение у разных видов попугаев-неразлучников, материнское поведение (подтаскивание детёнышей к гнезду) у мышей отселектированных линий и другие поведенческие признаки.
Рис.1.21.а. Примеры «единиц поведения» - комплексов фиксированных действий. Пчела, строящая соты
Рис.1.21.б. Примеры «единиц поведения» - комплексов фиксированных действий. Выпрашивание пищи кукушонком
Как правило, для исследования роли генотипа в формировании поведения ученые выбирают либо те признаки, которые легко поддаются количественному учету, либо те признаки, которые легко измерить по степени выраженности.
Как же эти признаки связаны с генотипом?
Когда в 30-е годы сформировалась феногенетика — направление, анализирующее пути и правила становления признака в процессе развития, то в рамках этого направления были установлены следующие принципы:
каждый ген влияет на все признаки в организме, хотя его влияние на некоторые из них может быть очень мало,
любой признак организма зависит от всего генотипа в целом.
Было показано, что влияние генов на фенотипические признаки может быть и непосредственным и опосредованным. Некоторые признаки, например первичная структура белка, определяются последовательностью нуклеотидов в данном гене. Другие признаки, более отдаленные от первичного эффекта гена, как правило, находятся под влиянием многочисленных генов. Поведенческие признаки, как правило, связаны с функцией конкретных генов не прямо, а опосредованно.
Если признак отдален от первичного эффекта гена несколькими «ярусами» биохимических процессов, то обнаруживается влияние некоего гена не только на исследуемый признак, но и на многие другие стороны строения, функций и поведенческих реакций организма. Это явление называется плейотропией. Плейотропия (от греч. рléiōn — более многочисленный, больший и trópos — поворот, направление) - множественное действие гена, способность одного гена воздействовать одновременно на несколько разных признаков организма.
Было показано, что проявление гена может быть многообразным и практически всем хорошо изученным генам присуща плейотропия. Например, гены, определяющие окраску шерсти у домовой мыши, влияют также на размеры тела; ген, влияющий на пигментацию глаз у мельничной огнёвки, имеет ещё десять морфологических и физиологических проявлений. У лабораторных мышей, имеющих мутацию brindled, отмечаются «вьющиеся» вибриссы, «ослабленная» окраска шерсти, тремор, а также ряд других аномалий. Эти проявления мутантного гена являются следствием нарушений в усвоении меди — микроэлемента, необходимого для многих биохимических реакций.
Плейотропия часто распространяется на признаки, имеющие эволюционное значение, — плодовитость, продолжительность жизни, жизнеспособность. Плейотропия свидетельствует о взаимосвязанности процессов клеточного метаболизма и биохимических механизмов онтогенеза, о наличии между первичным действием гена и его фенотипическим проявлением многих промежуточных звеньев, на которые могут влиять другие гены и факторы внешней среды.
Классическим примером плейотропии, связанным с поведенческими признаками дрозофилы было впервые обнаруженное А. Стёртевантом в 1915 году и подробно описанное в 1956 году М. Бэсток влияние мутации yellow на уровень половой активности мух. Широко известны также многочисленные плейотропные эффекты мутации альбинизма (нарушение остроты зрения, специфические особенности морфологии зрительных путей), обнаруживающиеся не только у лабораторных мышей и крыс, но и у многих других видов животных и даже человека. К плейотропным эффектам относятся множественные отклонения от нормы в развитии мозга мышей при неврологических мутациях.
Для количественного описания неоднозначного соответствия фенотипа генотипу выдающийся генетик Н.В. Тимофеев-Ресовский ввел понятия экспрессивности и пенетрантности генов.
Экспрессивностью называется степень выраженности рассматриваемого признака у организмов с одинаковым генотипом. Другими словами экспрессивность – это степень фенотипического проявления эффектов аллеля определенного гена у разных генетически сходных между собой особей. Экспрессивностью характеризуется конкретная особь. Например, у дрозофил с генотипом eyeless (безглазые) уменьшено число глазных фасеток, но абсолютное число фасеток варьирует от 0 до 50% от нормы, которая составляет 779 фасеток. Тогда экспрессивность этого аллеля при полном отсутствии фасеток у особи равна 100%, а у особи с числом фасеток, уменьшенным в два раза, – 50%.
Рис. 1.22. Мутация eyeless у Drosophila melanogaster.
а, а' — нормальные глаза; b, b' — совершенно безглазая форма, с с' – промежуточное выражение признака
В основе различий экспрессивности могут лежать многие причины, в частности влияние факторов среды или генетического фона. Если экспрессивность очень изменчива (вплоть до отсутствия проявления признака у отдельных особей), то вводится дополнительная характеристика проявления действия гена — пенетрантность (частота проявления аллеля определенного гена у разных особей группы родственных организмов).
Пенетрантностью проявления гена называется отношение числа особей, у которых проявляется данный признак, к общему числу с данным генотипом. Пенетрантностью характеризуется признак в однородной группе особей. При полной пенетрантности (100%) мутантный ген проявляет свое действие у всех особей, имеющих его, а при неполной – лишь у некоторых. Например, у дрозофилы доминантная мутация Lobe (L) вызывает уменьшение размера глаз, однако этот признак проявляется только у 75% особей; у остальных 25% мух – носителей гена L – глаза нормальные. Тогда пенетрантность аллеля L равна 75%.
Экспрессивность и пенетрантность часто зависят от условия среды, в которой развивается организм: освещения, температуры или влажности.
Примером изменчивости признаков поведения, которые связаны с экспрессивностью и пенетрантностью, могут быть количественные вариации в проявлении фиксированного комплекса действий (ФКД) исследовательской активности, пищевого поведения, в интенсивности репродуктивного поведения, которые можно наблюдать у животных идентичных генотипов, например у мышей и крыс инбредных линий.
Внутрилинейная изменчивость признаков поведения определяется очень многими факторами. Например, влияние соседства сородичей в жилой клетке. Поскольку лабораторные мыши и крысы относятся к видам, живущим в сообществах, то изоляция животного вызывает мощные изменения нейрохимических процессов в организме, а также изменение поведения. Содержание же животных в группе выявляет различия, определяющиеся положением особи во внутригрупповой иерархии. Есть и другие примеры проявления изменчивости поведения особей с идентичными генотипами.
Для успешного проведения опытов по генетике поведения подбирали соответствующий признак, опираясь на знания о физиологии, нейрофизиологии и поведении животных. Внимание исследователей привлекали разные признаки, например, предрасположенность к судорогам, общая возбудимость, локомоторная активность, ориентировочно-исследовательские реакции, разные аспекты репродуктивного поведения, классические и инструментальные условные реакции, реактивность к фармакологическим веществам. Чаще всего выбирали такие признаки, которые легко поддаются количественному учету (например, четкие видоспецифические движения), либо такие, которые легко измерить по степени выраженности (например, уровень локомоторной активности, измеряемый по длине пройденного животным пути за фиксированное время опыта).
К дополнительным трудностям при изучении генетики поведения приводит и тот факт, многие поведенческие признаки зависят от ряда внешних по отношению к нервной системе факторов, например от сезона года, или от гормонального фона, который сформировался в данное время в организме.
Первый этап генетического исследования признаков поведения связан с оценкой их генетической изменчивости. Признаки организма могут варьировать, обнаруживая фенотипическую изменчивость в пределах нормы реакции, размах которой определен генотипом.
При изучении поведенческих признаков, генетики сталкиваются также с изменчивостью, которая связана с воздействием индивидуального опыта.
Основным материалом для работ в области генетики поведения являются отселектированные и инбредные линии. Селекция ведется по широкому диапазону признаков поведения, показавших генетическую изменчивость, — от скорости проведения нервного возбуждения в нервно-мышечном синапсе до высокой и низкой способности к обучению. Но с помощью селекции формируются линии, которые состоят из животных, сходных по выраженности исследуемого поведенческого признака и иногда ряда других признаков, но не обладающих генетической однородностью. Это затрудняет использование их в целях идентификации генов, влияющих на данный признак.
В ряде случаев удается получить полностью гомозиготных животных с контрастными в случае двух линий величинами интересующего исследователей поведенческого признака. Но таких линий немного. В качестве примера можно привести инбредные линии мышей Short и Long sleep, у которых после гипногенной дозы этанола развивается либо короткий, либо длинный период сна.
Существуют линии мышей, имеющих общее происхождение и выращенных в одинаковых условиях, но демонстрирующих различные поведенческие реакции при помещении в ярко-освещённое открытое пространство. Эти линии были получены следующим образом.
В первой серии экспериментов исследователи брали группу обычных полевых мышей и помещали каждую особь по очереди в ярко-освещённую коробку. В ответ на ситуацию мыши демонстрировали самые разнообразные поведенческие реакции. Некоторые особи оказались довольно трусливыми: они неподвижно сидели возле стенок. Другие оказались более смелыми – бродили по коробке, хотя и не отходили далеко от её стенок. Некоторые мыши ориентировались свободно, даже выходили на середину освещённого поля. При помощи различных методов исследователи измеряли движения каждой особи и отобрали наиболее неподвижных и наиболее активных.
В дальнейшем активные мыши скрещивались с активными, а неактивные с неактивными, т.е. проводилась селекция в двух противоположных направлениях. Полученное в обоих случаях потомство аналогичным образом тестировалось, отбиралось и скрещивалось. Т.е. от наиболее трусливых родителей в дальнейшие скрещивания брали только самых неактивных потомков, а среди потомков самых храбрых родителей отбирали наиболее активное потомство. Всего было проведено более 30 поколений инбредных скрещиваний. С каждым последующим поколением мыши из трусливой группы становились всё более трусливыми, и мыши из смелой группы все более смелыми.
Таким образом, исследователи получили две линии мышей, имеющих общее происхождение и выращенных в одинаковых условиях, но демонстрирующих различные поведенческие реакции при помещении в ярко-освещённое открытое пространство.
Чтобы убедиться в отсутствии влияния на поведение мышей неконтролируемых факторов, был проведен дополнительный эксперимент, который заключался в следующем.
Новорожденных мышей из неактивной линии помещали на воспитание к самкам из активной линии и наоборот, а также мышей из обеих отселектированных линий одновременно помещали на воспитание к одной взрослой самке. При последующем тестировании мыши демонстрировали поведенческие реакции, свойственные своей исходной линии.
Эти результаты говорят о том, что поведенческие признаки зависят от наследственности. Трусливость, как и храбрость, и ряд других поведенческих признаков называются количественными наследственными признаками, поскольку фенотипы (наблюдаемые поведенческие реакции), ассоциированные с соответствующими генотипами, варьируют измеряемыми количествами или степенями.
Исходное поколение мышей включало в себя особей «не очень трусливых», «умеренно трусливых», «довольно трусливых» и других, с «разной степенью трусливости». Если ввести некую размерность для этого признака (проранжировать его) и построить график, получится колоколовидная кривая. Подобные признаки называют ещё признаками с непрерывной изменчивостью, так как отдельные их значения в популяции/линии изменяются непрерывно от одного экстремального значения к другому.
Среди поведенческих признаков известны и признаки другого типа – признаки с прерывистой изменчивостью или качественные. Они либо присутствуют у исследуемого объекта, либо отсутствуют. Примером такого признака у человека может служить способность или неспособность сворачивать язык в трубочку.
Рис.1.23. Семь из десяти людей, обладающие определенным доминантным геном, способны сворачивать язык трубочкой.
Однако большинство поведенческих признаков всё же являются количественными.
Наряду с факторами внешней среды и генотипом у млекопитающих в формировании признака участвует еще один важный параметр – пренатальные и постнатальные влияния материнского организма. Это так называемый материнский эффект. Наиболее простые примеры влияния материнского организма на физиологические реакции и поведение потомства — это эффекты различных пренатальных воздействий на самку (стресс, влияние фармакологических агентов), степень выраженности которых может зависеть от ее генотипа.
Экспериментально показано, что при соблюдении стандартных условий выращивания, как матерей, так и их потомства, физиологические реакции и поведение потомства зависят от типа влияний «материнской среды». Эти влияния могут существенно сказываться не только на внутрилинейной, но и на межлинейной изменчивости. Иными словами, влияние «материнской среды» инбредной линии С на формирование признака может быть иным, чем влияние на этот признак «материнской среды», свойственной генотипу линии В.
Влияние материнской среды складывается из трех компонентов: цитоплазматического, внутриутробного и постнатального.
Цитоплазматический компонент обнаруживается не только у млекопитающих, но и у тех животных, развитие которых проходит вне материнского организма. Он заключается в том, что яйцеклетка и сперматозоид при слиянии привносят разные количества цитоплазмы, причем белки, синтезируемые на основе материнских иРНК, обнаруживаются в зародыше и после начала дробления. Кроме того, цитоплазма яйцеклетки передает зародышу значительно большее количество митохондриальной ДНК, чем цитоплазма спермия. Это означает, что цитоплазматические влияния могут иметь и генетическую природу.
Внутриутробный компонент материнского эффекта определяется генотипом матери, а также специфическими воздействиями, которые испытывает ее организм, Самки разного генотипа, даже выращенные и содержащиеся в одинаковых условиях, создают потомству разную «материнскую среду», что может повлечь за собой различия в фенотипе потомства, в том числе и поведенческом фенотипе.
Постнатальный компонент связан с тем, что детеныши млекопитающих длительное время зависят от материнской заботы, которая может по-разному проявляться.
В генетике поведения разработаны экспериментальные приемы, с помощью которых можно оценить относительный вклад каждого из этих компонентов (цитоплазматического, внутриутробного и постнатального) в фенотипическую изменчивость признака поведения.
Под поведенческим признаком в генетике поведения понимают любую ответную реакцию живой материи на какое-либо изменение в окружающей среде, для которой характерна, либо прерывистая, либо непрерывная изменчивость, зависящая от одного (двух) или многих генов. Конечно, легче других изучать поведенческие признаки, определяемые единичными генами.